(57)【要約】  プラズマ発生セルから容器内へ放出される、放電により発生する解離原子のフラックス量を測定するための、安価で小型の原子フラックス測定装置を提供する。  本発明の原子フラックス測定装置は、所定の間隔を隔てて略平行に配置された第１および第２の一対のシート状電極で構成された対向電極体と、前記第１のシート状電極を負電位に保ち、そのシート状電極の内側表面に付着した原子を自己電離させる目的と、前記第１および第２のシート状電極の間に電流を流すために直流電圧を印加する目的との２つの目的を持つ直流電源と、前記第１のシート状電極の内側表面に付着した解離原子から自己電離によって放出された電子によって流れる電流を測定する直流電流計とで構成されたものである。
2012005228.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体の放電によりプラズマ発生セルから容器内に放出される解離原子のフラックス量を測定する原子フラックス測定装置であって、
互いに対向し、かつ所定の間隔を隔てて略平行に配置された第１および第２の一対のシート状電極で構成された対向電極体と、
前記第１のシート状電極の内側に付着した原子を自己電離させ、前記第１および第２のシート状電極の間に電流を流すための直流電圧を印加する第１の直流電源と、
前記第１および第２のシート状電極の間に、前記第１のシート状電極の内側に付着した原子の自己電離により流れる電流の値を測定する直流電流計と、を備えたことを特徴とする原子フラックス測定装置。
【請求項２】
前記第１の直流電源の起電力をＥA（ＥAは０以上の値）としたとき、前記第１のシート状電極の電位ＶAは下記の式で与えられことを特徴とする、請求項１に記載の原子フラックス測定装置。
ＶA＝−ＥA＋ＶB
ここで、ＶBは前記第２のシート状電極と接地端子との間の電位であり、ＶBは第２の直流電源によって０以下の値に設定される。
【請求項３】
前記第１および第２のシート状電極は、金属メッシュのシートで作製されていることを特徴とする、請求項１に記載の原子フラックス測定装置。
【請求項４】
前記第１のシート状電極は金属平板で作製され、前記第２のシート状電極は金属メッシュのシートで作製されていることを特徴とする、請求項１に記載の原子フラックス測定装置。
【請求項５】
前記対向電極体は、前記第１および第２のシート状電極が、絶縁性のスペーサを挟んで渦巻状に巻回されて構成されていることを特徴とする、請求項３に記載の原子フラックス測定装置。
【請求項６】
前記第１および第２のシート状電極は、それぞれ形状が略等しい平板状の複数枚の金属メッシュシートで構成され、
前記対向電極体は、前記第１および第２のシート状電極が所定の間隔を隔てて交互に重ね合わされるように配置されたものであることを特徴とする、請求項３に記載の原子フラックス測定装置。
【請求項７】
前記対向電極体は、原子フラックスの入射側に金属メッシュシートで作製された第３のシート状電極が配置され、この第３のシート状電極の電位は前記第２のシート状電極と同電位に設定されることを特徴とする、請求項３に記載の原子フラックス測定装置。
【請求項８】
前記対向電極体の原子フラックスの入射側とは反対側で前記第１のシート状電極の外側に、前記第１のシート状電極と所定の間隔を隔てて１枚の第４のシート状電極が配置され、この第４のシート状電極は前記第１のシート状電極に接続されていることを特徴とする、請求項３に記載の原子フラックス測定装置。
【請求項９】
前記直流電流計で測定された原子電流の値をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器から出力されたデジタルデータを格納するメモリと、
前記メモリに格納されたデジタルデータを表示するディスプレイと、
前記メモリへのデータの書き込みと読み出し、および前記ディスプレイの表示動作を制御する制御部と、を更に備えたことを特徴とする、請求項１に記載の原子フラックス測定装置。
【請求項１０】
前記直流電流計で測定した原子電流の値に基づいてフラックス量を算出する演算部を更に備え、この演算部は、
前記メモリにあらかじめ格納された、原子電流の値と、この原子電流の値に対応するフラックス量との関係を示すテーブルを読み出し、
前記直流電流計で測定した原子電流の値を、前記メモリに格納された原子電流の値と照合して、その電流値に対応するフラックス量を算出することを特徴とする、請求項９に記載の原子フラックス測定装置。
【請求項１１】
前記原子フラックスは、水素Ｈ2、窒素Ｎ2または酸素Ｏ2のいずれかの分子が解離して生成されたものであることを特徴とする、請求項１に記載の原子フラックス測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ発生セルから成長室内に放出される解離窒素原子のフラックス量を測定する原子フラックス測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、青色発光ダイオード等の電子デバイス用として、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＡｌＮ等のIII族窒素化合物膜を基板上に形成した素子が、多く製造されるに至っている。【０００３】
上記素子の基板にはサファイヤを用いる場合が多いが、安価かつ大量に供給可能な基板として、単結晶シリコンの基板を用いることが検討されている。シリコン基板は、サファイヤ基板に比較して熱伝導率が高く高出力に対応できる利点もある。【０００４】
シリコン基板上にIII族窒素化合物膜を形成する際には、格子欠陥をなくすために基板の上にバッファ層を形成する必要がある。発明者等は、先に、シリコン基板とIII族窒素化合物膜との間にＳｉ3Ｎ4とＡｌＮの二層のバッファ層を形成することを提案した（特許文献１参照）。【０００５】
図１７〜図１９を参照して、Ｓｉ基板とIII族窒素化合物膜との間に二層のバッファ層を形成する方法について簡単に説明する。図１７は、シリコン基板上にバッファ層を形成する際に用いるＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）成膜装置の概略構成を示した図である。【０００６】
ＭＢＥ成膜装置１は、収納容器である真空チャンバ３内に設置されたＲＦ（Radio Frequency）励起セル４および金属分子線セル５、ならびに真空チャンバ３外に配置されたＲＦマッチングボックス６、ＲＦ電源７ならびにパーソナルコンピュータ（以降、「ＰＣ」という）８で構成されている。真空チャンバ３内の基板ホルダー３１の近傍には、原子フラックス測定装置１０の対向電極体１１が設置され、真空チャンバ３外には、原子フラックス測定装置１０の本体が配置され、この本体はケーブルによりＰＣ８と接続されている。【０００７】
真空チャンバ３内は図示しないターボ真空ポンプを用いて１０-4〜１０-8Ｐａの高真空に保持されている。清浄化処理済のシリコン基板２は基板ホルダー３１に固定され、図示しないヒータにより所定の温度に加熱される。【０００８】
図示しないが、真空チャンバ３の側壁面にはシュラウドが設けられている。シュラウドの内部は液体窒素で満たされており、真空チャンバ３内の気体分子は側壁と衝突した際に壁面に吸着され、高い真空度を維持することができる。【０００９】
真空チャンバ３の壁にＲＦ励起セル４と金属分子線セル５が配置され、基板ホルダー３１に保持されたシリコン基板２に向けて窒素原子やＧａなどの金属分子を放出する。図１８に、窒素ガスのプラズマを発生させるＲＥ励起セル４の詳細な構造を示す。ガスポ−ト４５を介して窒素ガスボンベ（図示せず）から供給された窒素ガスは、中空の坩堝４１の放電室４２内に供給される。窒素ガスの供給量は流量制御器４６によって調整する。坩堝４１の外周には同軸状に水冷パイプを兼用した励起コイル４３が巻回され、冷却水Ｗを循環させることにより坩堝４１とＲＦ励起セル４を冷却する。【００１０】
励起コイル４３に、ＲＦマッチングボックス６の端子６３を介してＲＦ電源７から高周波電力が供給されると、放電室４２内の窒素ガスが励起されてプラズマ状態となり、出口部に設けられたオリフィス４４から窒素の活性種Ｆが超音速ジェットとなって放出される。【００１１】
金属分子線セル５は、坩堝に装入されたＧａ等の固体金属材料をヒータで溶融し、出口部分に装着されたシャッター９を開閉して、蒸発した原子を基板２に向けて放出する。金属分子線セル５は、図では１つしか記載されていないが、真空チャンバ３には、通常、使用する金属分子の数に応じて複数の金属分子線セル５が配置されている。【００１２】
ＲＦマッチングボックス６はＲＦ電源７からＲＦ励起セル４に印加される高周波電力が放電室４２にスムーズに供給されるように、ＲＦ電源７と放電室４２内のプラズマとのインピーダンス整合を図るもので、自動リアクタンス調整回路６１と可変リアクタンス回路６２で構成されている。【００１３】
上述のＭＢＥ成膜装置１では、ＲＦ励起セル４を２つの放電モードで作動できる。第１の放電モードは「ＨＢ放電モード」といい、励起コイル４３に比較的大きな高周波電力（例えば５００Ｗ）を投入して放電室４２内の窒素ガスを励起することにより、高輝度（High Brightness）の窒素プラズマを得る。ＨＢ放電モードでは、図１９のスペクトル線図に示すように、窒素分子Ｎ2が解離して生成される基底原子Ｎと励起原子Ｎ*が混じった解離窒素原子のフラックス（Ｎ＋Ｎ*）、ならびに励起窒素分子Ｎ2*、窒素分子イオンＮ2+および電子の放出が確認された。【００１４】
第２の放電モードは「ＬＢ放電モード」といい、励起コイル４３に比較的小さな高周波電力（例えば１２０Ｗ）を投入して放電室４２内の窒素ガスを励起することにより、低輝度（Low Brightness）の窒素プラズマを得る。ＬＢ放電モードでは、ＲＦ励起セル４から放出されるプラズマには解離窒素原子のフラックス（Ｎ＋Ｎ*）が全く含まれず、励起窒素分子Ｎ2*、窒素分子イオンＮ2+および電子の放出が確認された。【００１５】
発明者等は種々の実験を通して、ＨＢ放電モードで生成されるプラズマの特性について鋭意研究した。その結果、ＨＢ放電モードのプラズマに含まれる励起原子Ｎ*および基底原子Ｎは、熱力学的に寿命が比較的長い（ミリ秒オーダー）、いわゆる準安定原子であることを見出した。その一方で、イオンＮ2+および電子は真空チャンバ内で再結合により早々に消滅する特性を有する。また、ＨＢ放電モードのプラズマに含まれる励起分子Ｎ2*、励起原子Ｎ*および基底原子Ｎは、固相界面、たとえば基板表面とか金属板表面に付着し易いとの知見を得た。【００１６】
シリコン基板の上にＧａＮやＡｌＧａＮの結晶層を成長させる際には、ＲＦ励起セル４から放出された高エネルギーの励起原子Ｎ*や基底原子Ｎを基板２に直接照射することが好ましい。以降、このような照射方法を「直接照射」という。これに対し、シリコン基板の表面にバッファ層を形成する際には、低エネルギーの励起原子Ｎ*や基底原子Ｎを適量だけ基板に間接的に照射することが好ましい。そのためバッファ層を形成する際には、図１７に示すように、ＲＦ励起セル４から放出されるＨＢ放電モードのプラズマを、真空チャンバ３内に設けた反射板３２、更にはＲＦ励起セル４のシャッターやシュラウドで少なくとも１回衝突または反射させてエネルギーを消耗させてから基板２の表面に入射させる。以降、このような照射方法を「間接照射」という。【００１７】
次に、上述のＭＢＥ成膜装置１を用いて、シリコン基板とIII族窒素化合物膜との間にＳｉ3Ｎ4とＡｌＮの二層のバッファ層を形成する工程について簡単に説明する。シリコン基板２上にＳｉ3Ｎ4バッファ層を形成する工程の前に、基板の表面を清浄化する処理を行うが、この処理は周知であるため、説明を省略する。【００１８】
（１）真空チャンバ３内の基板ホルダー３１に、清浄化処理済のシリコン基板２を固定すると共に、ヒータにより基板２を所定温度まで加熱する。
（２）ＲＦ励起セル４の励起コイル４３に、例えば周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力５００Ｗを投入して窒素ガスをＨＢ放電モードで放電させる。ＨＢ放電モードにより生成した解離窒素原子フラックスを基板上に間接照射して、表面界面反応によりβ−Ｓｉ3Ｎ4単結晶膜をエピタキシャル成長させる。
（３）Ｓｉ3Ｎ4単結晶膜上にＡｌ分子線セルより数原子層分のＡｌ原子フラックスを照射して、表面界面反応によりＡｌＮ単結晶膜をエピタキシャル成長させる。
（４）ＡｌＮ単結晶膜上に、ＨＢ放電モードにより生成した解離窒素原子フラックスおよび励起窒素分子フラックスを直接照射するとともに、Ａｌ分子線セルよりＡｌ原子フラックスを照射して、ＡｌＮエピタキシャル層を形成する。【００１９】
上述の各工程を経て二層のバッファ層が形成されたシリコン基板の上にＧａＮやＡｌＧａＮの結晶を成長させると、格子欠陥の少ない膜を形成できる。【００２０】
ところで、ＲＦ励起セル４を用いたＭＢＥ成膜装置１において成膜動作を制御するためには、基板２の表面に照射される解離窒素原子のフラックス量をモニターする必要がある。従来、窒素原子のフラックス量を測定する際にはラングミュア・プローブ法を用いていた。しかし、ラングミュア・プローブ法は、荷電粒子によって金属プローブに流れる電流を測定するものである。上述したように、ＲＦ励起セル４から放出される粒子の原子と励起分子は電気的に中性であるため、ラングミュア・プローブ法を用いて窒素原子のフラックス量を測定した場合、正確な測定ができない恐れがある。【００２１】
発明者等は、先に、解離窒素原子のフラックス量を測定する装置を開発した（特許文献２参照）。この測定装置は、電気的に中性な解離窒素原子がマイナス電位のプローブ電極に付着すると、自己電離により原子から電子が放出されて電流（以降、この電流を「原子電流」という）が流れる現象を利用したものである。プローブ電極が置かれた雰囲気中の原子フラックスの量に応じてプローブ電極に流れる原子電流の値が変わるため、その電流値を測定することによって原子フラックスの量を算定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２０１０−２３２４９６号公報
【特許文献２】特開２００９−１４６７５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
上述したように、原子フラックス測定装置で測定する原子電流の値はプローブ電極が置かれた雰囲気中の原子フラックスの量に応じて変化する。このため、プローブ電極を基板２の近傍に設置すれば、基板２に照射される原子フラックスの量を、原子電流の値として算定することができる。【００２４】
しかし、プローブ電極から出力される原子電流の値は小さく、原子電流の値を大きくするために、プローブ電極の表面積を大きくすることが考えられるが、電極の表面積を大きくすれば測定装置が大型化し、真空チャンバ内に設置スペースを確保することが困難となる。【００２５】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、プラズマ発生セルから放出される解離原子のフラックス量をモニターできる、安価で小型の原子フラックス測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明にかかる原子フラックス測定装置は、気体の放電によりプラズマ発生セルから容器内に放出される解離原子のフラックス量を測定する原子フラックス測定装置であって、
互いに対向し、かつ所定の間隔を隔てて略平行に配置された第１および第２の一対のシート状電極で構成された対向電極体と、
前記第１のシート状電極の内側に付着した原子を自己電離させ、前記第１および第２のシート状電極の間に電流を流すための直流電圧を印加する第１の直流電源と、
前記第１および第２のシート状電極の間に、前記第１のシート状電極の内側に付着した原子の自己電離により流れる電流の値を測定する直流電流計と、を備えたことを特徴とする原子フラックス測定装置。【００２７】
本発明の原子フラックス測定装置において、前記第１の直流電源の起電力をＥA（ＥAは０以上の値）としたとき、前記第１のシート状電極の電位ＶAは下記の式で与えられことが好ましい。
ＶA＝−ＥA＋ＶB
ここで、ＶBは前記第２のシート状電極と接地端子との間の電位であり、ＶBは第２の直流電源によって０以下の値に設定される。【００２８】
前記第１のシート状電極は金属平板で作製され、前記第１および第２のシート状電極、もしくは前記第２のシート状電極は金属メッシュのシートで作製されていることが好ましい。前記対向電極体は、前記第１および第２のシート状電極が、絶縁性のスペーサを挟んで渦巻状に巻回されて構成されていてもよい。もしくは、前記対向電極体は、前記第１および第２のシート状電極は、それぞれ形状が略等しい平板状の複数枚の金属メッシュシートで構成され、前記対向電極体は、前記第１および第２のシート状電極が所定の間隔を隔てて交互に重ね合わされるように配置されたものでもよい。【００２９】
前記対向電極体は、原子フラックスの入射側に金属メッシュシートで作製された第３のシート状電極が配置され、この第３のシート状電極の電位は前記第２のシート状電極と同電位に設定されていることが好ましい。もしくは前記対向電極体の原子フラックスの入射側とは反対側で前記第１のシート状電極の外側に、前記第１のシート状電極と所定の間隔を隔てて１枚の第４のシート状電極が配置され、この第４のシート状電極は前記第１のシート状電極に接続されていることが好ましい。【００３０】
本発明の原子フラックス測定装置は、前記直流電流計で測定された原子電流の値をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器から出力されたデジタルデータを格納するメモリと、前記メモリに格納されたデジタルデータを表示するディスプレイと、前記メモリへのデータの書き込みと読み出し、および前記ディスプレイの表示動作を制御する制御部と、を更に備えることが好ましい。【００３１】
本発明の原子フラックス測定装置は、前記直流電流計で測定した原子電流の値に基づいてフラックス量を算出する演算部を更に備え、この演算部は、前記メモリにあらかじめ格納された、原子電流の値と、この原子電流の値に対応するフラックス量との関係を示すテーブルを読み出し、前記直流電流計で測定した原子電流の値を、前記メモリに格納された原子電流の値と照合して、その直流電流値に対応するフラックス量を算定するものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の原子フラックス測定装置は、一対のシート状電極間に流れる原子電流の値によってＲＦ励起セルから放出された解離原子のフラックス量を測定するものであり、一方の電極に適当な負のバイアス電圧を印加することにより、原子電流測定の感度を高めることができる。結果として、比較的安価な電流計を用いて原子電流を測定できるため、測定装置のコストを低減できる。【００３３】
また、シート状電極に金属メッシュのシートを使用すると共にこのシートを巻回もしくは積層することによって、対向電極体の容積を増やすことなく電極の表面積を拡大できるため、小型で測定感度の良い原子フラックス測定装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１にかかる原子フラックス測定装置の基本的な構成を示す図である。
【図２】図２は、実施の形態１における対向電極体の具体的な構成の一例を示す図である。
【図３】図３は、原子フラックスモニターの原理を説明する図である。
【図４】図４は、実施の形態１の原子フラックス測定装置の測定結果に基づいて作成した電圧-電流特性のグラフである。
【図５】図５は、実施の形態１の原子フラックス測定装置の測定結果に基づいて作成した電圧-電流特性のグラフである。
【図６】図６は、実施の形態１の原子フラックス測定装置の測定結果に基づいて作成した電圧-電流特性のグラフである。
【図７】図７は、実施の形態１の原子フラックス測定装置の測定結果に基づいて作成した電圧-電流特性のグラフである。
【図８】図８は、実施の形態１の原子フラックス測定装置の測定結果に基づいて作成した電圧-電流特性のグラフである。
【図９】図９は、実施の形態１の原子フラックス測定装置の測定結果に基づいて作成した電圧-電流特性のグラフである。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態２にかかる原子フラックス測定装置の基本的な構成を示す図である。
【図１１】図１１は、実施の形態２における対向電極体の具体的な構成の一例を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態３にかかる原子フラックス測定装置の基本的な構成を示す図である。
【図１３】図１３は、実施の形態３における対向電極体の具体的な構成の一例を示す斜視図である。
【図１４】図１４は、実施の形態３における対向電極体の回路を模式的に示した図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施の形態４にかかる原子フラックス測定装置の基本的な構成を示す図である。
【図１６】図１６は、実施の形態４における対向電極体の回路を模式的に示した図である。
【図１７】図１７は、ＭＢＥ製膜装置の概略構成を示す図である。
【図１８】図１８は、図１７のＲＦ励起セル４の断面図である。
【図１９】図１９は、ＲＦ励起セル４から放出される解離窒素原子フラックスのスペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明にかかる原子フラックス測定装置の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００３６】
（実施の形態１）
＜測定装置の構成＞
図１に、本発明の実施の形態１にかかる原子フラックス測定装置の基本的な構成を示す。原子フラックス測定装置１は、ＲＦ励起セル４から放出された解離窒素原子により生じる原子電流の値を測定する対向電極体１１ａ、第１および第２の直流電源１４および１５、第１および第２の直流電流計１６および１７、第１および第２のＡ/Ｄ変換器２１および２２、ならびにパーソナルコンピュータ８で構成されている。
【００３７】
対向電極体１１ａは、所定の間隔を隔てて略平行に配置された第１および第２のシート状電極１２および１３を含み、第１のシート状電極１２は第１の端子１８に接続され、第２のシート状電極１３は第２の端子１９に接続されている。端子１８と１９の間には、第１の直流電源１４と第１の直流電流計１６が直列に接続されている。また端子１９と接地端子（すなわち基準電位の端子）２０の間には、第２の直流電源１５と第２の直流電流計１７が直列に接続されている。
【００３８】
＜対向電極体の具体的構成＞
図２に、対向電極体１１ａの具体的な構成の一例を示す。シート状電極１２および１３は、例えば高沸点のステンレス製の矩形の鋼板で作製され、その４隅に孔が形成されている。一対のシート状電極１２および１３は、絶縁性のスペーサ２３を介して所定の間隔を隔てて互いに対向するように配置される。スペーサ２３は、ボルト２４を４隅に設けた孔に挿入することにより、ナット２５およびワッシャ２６を用いてシート状電極１２および１３に固定される。
【００３９】
第１のシート状電極１２側のナット２５の一つにはワイヤ２７の一方の端が接続され、第２のシート状電極１３側のナット２５の一つにはワイヤ２８の一方の端が接続されている。ワイヤ２７の他方の端は第１の端子１８に接続され、ワイヤ２８の他方の端は第２の端子１９に接続されている。ワイヤ２７および２８の外周面はアルミナ絶縁管２９によって覆われている。
【００４０】
本実施の形態では、シート状電極１２および１３として、板厚が０．５ｍｍ、面積が１８０ｍｍ（Ｌ）×５０ｍｍ（Ｗ）の矩形のステンレス鋼（SUS）の平板を用いた。またスペーサ２３として長さ６ｍｍのアルミナ套管を用いた。また図１に示す第１および第２の直流電流計１６、１７として、米国ケースレー社（KEITHLEY）製６４８７型ピコアンメータ（Pico ammeter）を用いた。第１の直流電源１４には市販のバッテリ（蓄電器）を、第２の直流電源１５には電子式直流電源を用いた。
【００４１】
また本実施の形態では、ＲＦ励起セル４として、アリオス株式会社（日本国東京）製のＩＲＦＳ−５０１ＲＦ励起窒素源（商品名）を使用し、これをV.G.Semicon社（英国）製ＶＧ８０Ｈ−ＭＢＥ製膜装置のセルポートに組み込んだ。ＩＲＦＳ−５０１ＲＦ励起窒素源は、アリオス株式会社によりＲＦマッチングボックス（RF Matching Box）６およびＲＦ電源７を１セットとしてIRFC-504の型式で市販されている。
【００４２】
＜フラックス量測定の原理＞
原子フラックス測定装置１の動作を説明する前に、図１および図３を参照して、原子フラックスの量を測定する原理について説明する。
【００４３】
前述したように、ＨＢ放電モードのプラズマに含まれる窒素の励起分子Ｎ2*、励起原子Ｎ*および基底原子Ｎは、固相界面、たとえば基板表面とか金属板表面に付着し易い性質がある。従って、ＲＦ励起セル４から放出された解離窒素原子のフラックスが存在する空間中に対向電極体１１ａを設置すると、図３（ａ）に示すように、シート状電極１２および１３の内側表面に窒素分子Ｎ2*、励起原子Ｎ*および基底原子Ｎが、間接照射と称するごとく、その局所空間の熱平衡蒸気圧に対応した密度で付着する。
【００４４】
解離窒素原子が付着したシート状電極１２および１３のうち一方の電極１２に適当な負のバイアス電圧を印加すると、電極表面に付着した粒子のうち励起原子Ｎ*および基底原子Ｎが自己電離し、図３（ｂ）に示すように、負のバイアス電圧を印加したシート状電極１２から電子ｅ-が放出され、電位のより高いシート状電極１３に到達する。その結果、一対のシート状電極１２、１３間に自己電離した電子による原子電流が流れる。
【００４５】
図１の回路において、端子１８の電位（＝第１のシート状電極１２の電位）ＶAは第１の直流電源１４の起電力ＥAに対応したものである。その一方、端子１９の電位（＝第２のシート状電極１３の電位）ＶBは第２の直流電源１５の起電圧ＥBに対応したものであり、負の電位−ＥB（ＥB≧０）に設定される。すなわち、第１のシート状電極１２の電位ＶAは、
ＶA＝−ＥA＋ＶB<０
に設定される。なお、第２の直流電源１５を省略する、すなわちＥB＝０とすることもできる。
【００４６】
シート状電極１２に印加される負の電位ＶA（＝−ＥA＋ＶB）によってシート状電極１２の内側表面に付着した解離窒素原子が自己電離し、解離窒素原子の数（密度）に応じた原子電流ＩAがシート状電極１２、１３間に流れて、第１の直流電流計１６によりその値が測定される。
【００４７】
一般に、原子電流ＩAは以下の式（１）で表される。
ＩA＝−γＳＦNＶA＋ＩO    ---（１）
ここで、γは電極表面の自己電離係数、Ｓは有効電極面積、ＦNは電極表面の解離窒素原子のフラックス量、ＩOは電位０において流れる電流である。また−の符号は、負電位の電極からの電子放出電流であることを示している。
式（１）に示すように、解離窒素原子のフラックス量は原子電流ＩAと直線関係にあることから、原子電流ＩAを測定することによって、原子フラックスの量を間接的に測定できる。
【００４８】
前述の図１７に示したように、対向電極体１１ａはＭＢＥ成膜装置１の真空チャンバ３内に設置される。ＭＢＥ製膜装置１のＲＦ励起セル４から放出されるＨＢ放電モードのプラズマ、すなわち、励起分子Ｎ2*や、解離窒素原子（励起原子Ｎ*および基底原子Ｎ）を含む活性種の流れが、真空チャンバ３内のシュラウドや反射板３２等で衝突および反射を繰り返した後、対向電極体１１ａの第１のシート状電極１２と第２のシート状電極１３によって画定される空間部に、四方の開口部から進入する。
【００４９】
図３（ａ）に示したように、対向電極体１１ａの空間部に進入した解離窒素原子は、空間部の熱平衡蒸気圧に応じた密度分布をもって、一対のシート状電極１２、１３の内側表面に付着する。前述したように、第１の直流電流計１６により測定される原子電流ＩAは、対向電極体１１ａを設置した局所空間における解離窒素原子の密度分布、すなわちフラックス量に対応している。従って、対向電極体１１ａに流れる原子電流の値を測定することによって、原子フラックスの量を算定できる。
【００５０】
＜測定結果＞
上述の原子フラックス測定装置１を用いて電流−電圧特性を測定した結果を図４〜図６に示す。図４は、第２の端子１８の電位ＶB＝０としたときの、第１のシート状電極１２と第２のシート状電極１３の間に印加される電位差（ＶA−ＶB＝-ＥA）［横軸］と、第１の直流電流計１６により測定される原子電流ＩA［縦軸］との関係を示したものである。
【００５１】
図４の測定結果において、原子電流ＩAが検出されるのは、第１のシート状電極１２に印加される電位ＶA（＝-ＥA＋ＶB）の値が負の場合に限る。ＶB＝０に設定されているため、電位差（ＶA−ＶB）の負の部分が原子電流である。電位ＶAの絶対値が大きくなるにしたがって原子電流ＩAが直線的に増大しているが、電流の増加に対する変化は少ない。
【００５２】
図４において、電位差（ＶA−ＶB＝−ＥA）が正のとき、対向電極体１１ａの周囲の原子フラックス中に含まれる電子による電流が第１の直流電流計１６に流れるが、これは原子電流とは無関係である。
【００５３】
図５に、第２の端子１９の電位ＶBを、０、−５０Ｖ、−１００Ｖ、−１５０Ｖと変化させ、その値を一定に保つと共に、第１のシート状電極１２と第２のシート状電極１３との間に印加される電位差（ＶA−ＶB＝−ＥA）［横軸］を変化させたときの原子電流ＩA［縦軸］の変化を示す。グラフの右上に示したように、電位ＶBの値によって測定値を示す記号を変えている。
【００５４】
図５に示す４つの測定結果（ＶB＝０、−５０Ｖ、−１００Ｖ、−１５０Ｖ）におけるそれぞれの直線部分が互いに平行でなく、電位差（ＶA−ＶB＝−ＥA）の絶対値が増大するにつれて傾きが増大している。第１のシート状電極１２と第２のシート状電極１３との間に印加される電位差（ＶA−ＶB＝-ＥA）を一定にしてグラフを書き直すと、原子電流ＩAは、第１の直流電源１３の電位ＶAの大きさに依存してほぼ直線的に変化することが分かる。
【００５５】
図６に、第１のシート状電極１２と第２のシート状電極１３との間に印加される電位差（ＶA−ＶB＝−ＥA）を−１０８Ｖに固定し、第２の端子１９の電位ＶBを最大−１０００Ｖまで変化させたときの電流−電圧特性の測定結果を示す。この測定結果から、原子電流ＩAは第１の端子１８の電位ＶAの上昇（絶対値の減少）に応じて直線的に減少することが分かる。
【００５６】
図４〜図６に示す３つの測定結果から、ＲＦ励起セル４から基板２の表面に間接照射された解離窒素原子（ＮおよびＮ*）、すなわち、ＲＦ励起セル４から放出された後、真空チャンバ３のシュラウド等で衝突および反射を繰り返した後に基板２の表面に照射された解離窒素原子であっても、フラックス量を十分測定できることが確認できた。なお、基板２に照射される解離窒素原子（ＮおよびＮ*）のフラックス量は、ＲＦ励起セル４の作動条件、特にＲＦ励起セル４の励起コイル４３に投入される高周波電力、ＭＢＥ製膜装置１の真空チャンバ３内の活性種の蒸気圧、真空チャンバ３のシュラウドの温度等に応じて変化する。
【００５７】
ところで、ＲＦ励起セル４から放出されたプラズマに荷電粒子、たとえば窒素分子イオンＮ2+、窒素原子イオンＮ+、電子ｅ-等が含まれているときには、第２のシート状電極１３から接地端子２０に向けて流れる電流ＩBが第２の直流電流計１７により測定される。前述したように、原子電流は第１のシート状電極１２の内側表面に付着した中性の解離窒素原子の数に対応している。第２の直流電流計１７が電流ＩBを測定したとき、それは、プラズマ中に含まれる荷電粒子による電流に加えて、第２のシート状電極１３の外部表面に付着した中性の解離窒素原子による原子電流が含まれることを意味している。このとき荷電粒子による電流は第１の直流電流計１６で測定した電流ＩAにも含まれ、フラックス量を測定する際の誤差となる。従って、第２の直流電流計１７の電流ＩBにより原子電流に誤差があることを確認できる。
【００５８】
＜測定装置の構成＞
図１の説明に戻って、第１の直流電流計１６により検出された電流ＩAは、Ａ/Ｄ変換器２１によってデジタルデータに変換された後、ＰＣ８に取り込まれる。ＰＣ８は、前述した製膜制御回路８５以外に、原子フラックス測定装置１０の制御部８１および演算部８２としても機能する。これらの機能はメモリ８３に格納されたソフトウェアを読み出してＣＰＵで実行することにより実現される。ＰＣ８に取り込まれ、メモリ８３に格納されたデジタルデータは、制御部８１の制御に従ってディスプレイ８４に表示される。作業者は、その場で原子電流の値を確認できる。
【００５９】
本実施の形態では、基板２に照射される原子フラックスの量を、対向電極体１１ａに流れる原子電流の値によってモニターしている。原子フラックスの量を直接確認したい場合には、原子電流の値をフラックスの量に変換する必要がある。その場合、同一の条件で測定した原子フラックスの量と原子電流の値に基づいて、原子電流の値を原子フラックスの量に変換するテーブルを用意し、それを予めメモリ８３に格納しておく必要がある。演算部８２がこのテーブルに基づいて、対向電極体１１ａで測定した電流値を原子フラックスの量に変換し、その値がディスプレイ８４に表示されれば、その場で解離窒素原子（ＮおよびＮ*）のフラックス量を確認できる。
【００６０】
一方、前述のＭＢＥ製膜装置１を用いて、基板２上に単結晶Ｓｉ3Ｎ4バッファ層を生成した際のバッファ層の成長速度と、対向電極体１１ａで測定した原子電流の値との相関関係を示すグラフを作成する。作成したグラフのデータをテーブルとして製膜制御回路８５（図１７参照）のメモリに格納すれば、製膜制御回路８５は、テーブルのデータを用いて、対向電極体１１ａで測定した原子電流の値に基づいて単結晶Ｓｉ3Ｎ4バッファ層の成長速度を制御できる。
【００６１】
第２の直流電流計１７により検出された電流値も、第１の直流電流計１６と同様に、Ａ/Ｄ変換器２２によってデジタルデータに変換された後、ＰＣ８に取り込まれる。なお制御部８１は、上述の制御以外に、第１および第２の直流電源１４および１５の電圧の設定や、第１および第２の直流電流計１６および１７のＯＮ/ＯＦＦの制御を行う。
【００６２】
＜原子フラックス測定の手順＞
次に、本実施の形態にかかる原子フラックス測定装置１０を用いて、基板２に照射される解離窒素原子のフラックス量を測定する際の手順を説明する。
【００６３】
前述の図１７に示すＭＢＥ製膜装置１のセルポートにＲＦ励起セル４を取り付ける一方、真空チャンバ３内の基板ホルダー３１にシリコン基板２を固定し、このシリコン基板２上に単結晶Ｓｉ3Ｎ4のバッファ層を成長させる。この際、ＲＦ励起セル４に、５００Ｗの高周波電力を投入してＨＢ放電モードで作動させる。
【００６４】
前述したように、シリコン基板２上に単結晶Ｓｉ3Ｎ4バッファ層を成長させる際は、ＲＦ励起セル４から放出された解離窒素原子（基底原子Ｎおよび解離窒素原子Ｎ*）のフラックスを基板２に間接照射することが好ましく、間接照射は以下のいずれかの方法により実現される。
【００６５】
第１の方法は、ＲＦ励起セル４から放出される解離窒素原子のフラックスの進行方向を図示しないシャッターで閉じる方法である。この方法を採用すると、ＲＦ励起セル４のオリフィス４４から放出される解離窒素原子は、シャッターや成長室（真空チャンバ）の内側の壁に衝突と反射を繰り返した後、シャッターの周縁部の隙間から漏れ出たエネルギーの小さなフラックスが基板２の表面に照射される。
【００６６】
第２の方法は、上述のシャッターを開け、ＲＦ励起セル４から放出される解離窒素原子のフラックスを、真空チャンバ３内に設けられた反射板３２やシュラウドに衝突や反射を繰り返してから、基板２に照射する方法である。
【００６７】
原子フラックス測定装置１０の対向電極体１１は、基板ホルダー３１に隣接した箇所で、かつＲＦ励起セル４のオリフィス４４と基板２の表面とを直線で結ぶ領域から外れた位置に設置される。上述したように、ＲＦ励起セル２から放出された解離窒素原子は、ＲＦ励起セル２の前方に設けられたシャッター（図示せず）、反射板３２、シュラウド等で衝突および反射を繰り返した後、原子フラックス測定装置１０の対向電極体１１ａの空間部に進入する。そして解離窒素原子は、この空間部における熱平衡蒸気圧に応じた密度をもってシート状電極１２および１３の表面に付着し、電極間に原子電流を発生させる。原子フラックス測定装置１０で測定した原子電流は製膜制御回路８５に送られ、バッファ層の厚みを制御するためのデータとして利用される。
【００６８】
本実施の形態では、ＲＦ励起セル４を下記の条件下で作動させながら、原子フラックス測定装置１０を用いて原子電流の値を測定した。そのときに第１の直流電流計１６で測定した原子電流ＩAと第１のシート状電極１２の電位ＶAの関係を図７〜図９に示す。
（１）ＲＦ励起セル４の放電コイル４３への投入電力：５００Ｗ
（２）ＲＦ励起セル４の放電室４２に供給される窒素流量：１．３８ sｃｃｍ
（３）ＲＦ励起セル４内の圧力：約１００Ｐａ
（４）真空チャンバ３の真空度：４x１０?3Ｐａ
【００６９】
図７のグラフは、第２の端子１９の電位ＶBを、それぞれ、−１７５Ｖ、−７５Ｖおよび０Ｖに保持した状態で、第１の直流電源１４の起電力ＥAを−１０８Ｖ〜＋１０８Ｖの範囲で変化させたときの、第１の端子の電位ＶA（＝−ＥA＋ＶB）と第１の直流電流計１６により測定された原子電流ＩAとの関係を示す。
【００７０】
原子電流ＩAは、電位ＶAの変化に応じて線形的に変化することが確認された。この結果から、原子電流ＩAの測定値と、対向電極体１１ａの空間部に存在する解離窒素原子（Ｎ*＋Ｎ）のフラックス量との間には線形的な相関関係が存在することが確認された。
【００７１】
図８のグラフは、４つの曲線を示している。○印の記号で表示した第１の曲線は、第１の直流電源１４の起電力ＥAを一定（−１０８Ｖ）に保持して第２の端子１９の電位ＶBを−８００Ｖ〜０Ｖに変化させたときの、第１の端子１８の電位ＶA（＝−ＥA＋ＶB）と第１の直流電流計１６により測定された原子電流ＩAとの関係を示す。
【００７２】
＋印の記号で表示した第２の曲線は、第２の端子１９の電位ＶBを一定（２００Ｖ）に保持して、第１の直流電源１６の起電力ＥAを−１０８Ｖ〜＋１０８Ｖに変化させたときの、第１の端子の電位ＶAと第１の直流電流計１６により測定された原子電流ＩAとの関係を示す。▲印の記号で表示した第３の曲線は、第２の端子１９の電位ＶBを一定（０Ｖ）に保持して、第１の直流電源１６の起電力ＥAを−１０８Ｖ〜＋１０８Ｖに変化させたときの、第１の端子の電位ＶAと第１の直流電流計１６により測定された原子電流ＩAとの関係を示す。
【００７３】
これらの測定結果から、原子電流ＩAは、第１の直流電源１４の起電力ＥAの大きさに応じて線形的に変化することが確認された。なお、◇印の記号で表示した第４の曲線は、参考として示したもので、ＲＦ励起セル４に電力を供給しないときの第１の端子の電位ＶAと第１の直流電流計１６により測定された電流ＩA（すなわち暗電流）との関係を示す。
【００７４】
図９のグラフは、一対のシート状電極１２、１３の間隔Ｄが異なる（６ｍｍと２０ｍｍ）２種類の対向電極体１１ａを用いたときの、第１の端子の電位ＶAと第１の直流電流計１６により測定された原子電流ＩAとの関係を示したものである。○印の記号で表示した間隔Ｄが大きい対向電極体は、●印の記号で表示した間隔Ｄが小さい対向電極体より原子電流ＩAの値が大きい。これは、間隔Ｄが大きいほうが、対向電極体１１ａの空間部に存在する解離窒素原子（Ｎ*＋Ｎ）のフラックス量が多いためと考えられる。
【００７５】
（実施の形態２）
図１０に、本発明の実施の形態２にかかる原子フラックス測定装置の基本的な構成を示す。図中、図１に示した実施の形態１の原子フラックス測定装置と同一の機能を備えた構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する。図１０では、電極の機能を説明するためＲＦ励起セル４を追加している。その一方、説明に用いないＡ／Ｄ変換器２１、２２およびＰＣ８は省略している。
【００７６】
＜測定装置の構成＞
本実施の形態の原子フラックス測定装置は、対向電極体の構成を除いて、実施の形態１の原子フラックス測定装置と変わりがない。本実施の形態における対向電極体１１ｂは、実施の形態１の対向電極体１１ａのシート状電極１２および１３の代わりに、金属メッシュのシートで作製された２枚のシート状電極（以降、これらを「メッシュ電極」という）５１および５２を使用している。
【００７７】
以下に、シート状電極にメッシュ電極を用いる理由を説明する。実施の形態１における対向電極体１１ａは、間接照射された解離窒素原子のフラックス量を測定する場合には支障がない。しかし、電極がシート状の金属で形成されているため、ＲＦ励起セル４から基板２に直接照射された解離窒素原子のフラックス量を測定する場合、電極の配置方向によって、対向電極体の空間部に入り込むフラックスの量が大幅に変動する。また大半の解離窒素原子はシート状電極の表面で反射して対向電極体の外に飛び去り、対向電極体１１ａの空間部まで入り込んで原子電流に寄与する解離窒素原子は極めて少ない。結果として、解離窒素原子のフラックス量を正確に測定することができない。
【００７８】
これに対し、シート状電極にメッシュ電極を用いた場合、ＲＦ励起セル４から照射された解離窒素原子のフラックスＦはメッシュ電極の隙間を通過し、対向電極体１１ｂの空間部に入り込むため空間部の熱平衡蒸気圧が高まる。この熱平衡蒸気圧に応じた密度をもって解離窒素原子が電極の表面に付着して、原子電流を生じさせる。
【００７９】
実施の形態１と同様に、第１の直流電源１４および第２の直流電源１５により、第１のメッシュ電極５１には負のバイアス電位ＶA＝−ＥA＋ＶBが印加されている。メッシュ電極５１と５２の間には、メッシュ電極５１の内側表面に付着した解離窒素原子（Ｎ*＋Ｎ）の自己電離に基づく原子電流ＩAが流れる。
【００８０】
このように対向電極体１１ｂでは、ＲＦ励起セル４から放出された解離窒素原子（Ｎ*＋Ｎ）は、間接照射によりメッシュ電極５１および５２の周辺開口部から入射するフラックスに限らず、ＲＦ励起セル４から直接照射され、メッシュ電極５２の隙間を通過して対向電極体１１ｂの空間部に送り込まれたフラックスの量を測定できる。
【００８１】
＜対向電極体の具体的構成＞
図１１に、対向電極体１１ｂの具体的な構成の一例を示す。対向電極体１１ｂは、長さに差のある２枚の金属メッシュのシートを、互いに間隔をあけて対向させた状態で巻回したものである。このようにメッシュ電極が渦巻状に巻回された対向電極体１１ｂを用いれば、対向電極体の容積を増大させることなくメッシュ電極５１および５２の表面積を拡大できる。結果として、メッシュ電極５１の内面に付着するフラックスの量が増大する分、原子電流の値が大きくなり、電流測定の感度を高めてフラックス量の検出精度を高めることができる。
【００８２】
本実施の形態では、メッシュ電極５１に大きさが１４０ｍｍ（Ｗ）×３００ｍｍ（Ｌ）で、＃１００（１００番）のステンレス鋼（SUS404）の網を用い、メッシュ電極５２に大きさが１４０ｍｍ（Ｗ）×２５０ｍｍ（Ｌ）で＃１００（１００番）のステンレス鋼（SUS404）の網を用いた。そして、これらのメッシュ電極５１、５２を、絶縁性のスペーサである直径６ｍｍの複数のアルミナ套管５３を介し、間隔（Ｄ）を６ｍｍあけて対向させるとともに巻回した。
【００８３】
図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、セルシャッターのフランジ３３にアルミ製の３本の支柱５４が立設され、２枚のメッシュ電極５１および５２は、３本の支柱５４で形成される空間部に、渦巻状に巻回した状態で挿入されている。各支柱５４には絶縁用のアルミナ管５５が挿入され、渦巻状のメッシュ電極５１および５２は、３本の支柱５４の外周に耐熱性絶縁材製の固定バンド５６を巻付けて固定されている。さらにメッシュ電極５および５２の最内側端部は絶縁性の固定具５７により間隔Ｄを隔てて固定され、最外側端部は、それぞれ雲母製のシート状セパレータ５８を介して電気的に絶縁されている。メッシュ電極５１および５２はワイヤ５９により、それぞれ端子１８および１９に接続されている。
【００８４】
本実施の形態の対向電極体１１ｂは、メッシュ電極体５１および５２を渦巻状に形成することによって容積を増加させることなく電極の面積を増大させており、解離窒素原子のメッシュ電極への付着量を増大させることができる。結果として、原子電流の測定感度を高め、ひいては原子フラックス量の測定精度を高めることができる。
【００８５】
（実施の形態３）
図１２に、本発明の実施の形態３にかかる原子フラックス測定装置の基本的な構成を示す。図中、実施の形態１および２の原子フラックス測定装置と同一の機能を備えた構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。図１０と同様に図１２では、電極の機能を説明するためＲＦ励起セル４を追加している。その一方、説明に用いないＡ／Ｄ変換器２１、２２およびＰＣ８は省略している。
【００８６】
＜測定装置の構成＞
本実施の形態の対向電極体１１ｃは、実施の形態２の対向電極体１１ｂと同様に、金属メッシュシートで作製された２枚のメッシュ電極７１および７２を使用している。一方、対向電極体１１ｃは、実施の形態２の対向電極体１１ｂと異なり、第２のメッシュ電極７２の外側に一定の間隔を隔てて、金属メッシュシートで作製された第３のメッシュ電極７３を配置している。
【００８７】
この第３のメッシュ電極７３を適当な電位に保持、たとえばメッシュ電極７２と同電位とすることにより、フラックスＦに含まれる荷電粒子Ｎ2+、ｅ-等がメッシュ電極７１および７２に入射するのを、ある程度阻止することができる。すなわち、メッシュ電極７３は、メッシュ電極７１および７２を含む閉回路に流れる原子電流に、雑音や誤差電流が混入するのを阻止するフィルタとして機能する。
【００８８】
なお、本発明の原子フラックス測定装置に必須の構成ではないが、図１２に示すように、ＲＦ励起セル４のプラズマ放出口の周辺にエリミネータ電極対３４を配置して、プラズマフラックスに含まれる荷電粒子を横方向に偏向させることにより、原子フラックス測定装置１０に照射されるフラックスＦに荷電粒子が含まれないようにすることができる。
【００８９】
エリミネータ電極対３４は一対の対向する電磁石で構成されており、ＲＦ励起セル４から放出されるプラズマフラックスと交差する静磁界を発生させてプラズマフラックスに含まれる荷電粒子を横方向に偏向させる。
【００９０】
エリミネータ電極対３４により、ＲＦ励起セル４から対向電極体１１ｃに照射されるフラックスＦには荷電粒子が含まれないため、原子フラックス測定装置における原子電流の測定誤差を軽減できる。なお、図１２において、直流電源３５はスイッチ３６によりエリミネータ電極対３４に印加する電位の方向が変えられるようになっている。
【００９１】
＜対向電極体の具体的構成＞
図１３に、本実施の形態にかかる対向電極体１１ｃの具体的な構成の一例を示す。また図１４に、図１３の対向電極体１１ｃの模式的な回路図を示す。図１３に示す対向電極体１１ｃは、図１１に示した実施の形態２の対向電極体１１ｂと２つの点で異なっている。以下、第１の相違点について説明する。
【００９２】
対向電極体１１ｂでは、広い面積の２枚のメッシュ電極５１および５２を巻回して対向電極体を構成している。これに対し対向電極体１１ｃでは、平板状の複数のメッシュ電極７１および７２を、対向した状態で、かつ間隔をあけて交互に配置することによって対向電極体を構成している。
【００９３】
対向電極体１１ｃは、平板状の金属メッシュシートが櫛歯状に連結された第１のメッシュ電極７１と、同様の構成の第２のメッシュ電極７２とが、セラミック製の絶縁スペーサ７４を介して、入れ違い状に組み合わされて構成されている。なお、絶縁スペーサ７４は位置がずれないようにワイヤ７５で締結されている。
【００９４】
ＲＦ励起セル４から放出される解離窒素原子のフラックスＦは、周辺部からの間接照射に限らず、メッシュ電極７２の前面からの直接照射によっても電極間に形成された空間部に入射され、この空間部に飛来した解離窒素原子（ＮおよびＮ*）が第１のメッシュ電極７１の内側表面に付着することによって両電極間に原子電流が流れる。
【００９５】
対向電極体１１ｂはメッシュ電極を巻回することによって対向電極体の小型化を図っていたが、対向電極体１１ｃは、メッシュ電極を積層することによって対向電極体の小型化を図っている。多層のメッシュ電極７１および７２を用いることによって対向電極体の容積を増大することなく、メッシュ電極の面積を拡大して解離窒素原子の電極表面への付着量を増大させ、ひいては原子電流の検出感度を高めることによって、解離窒素原子フラックス量の測定精度を高めている。
【００９６】
第２の相違点は、対向電極体の前方に櫛歯状の第３のメッシュ電極７３を配置している点である。前述したようにメッシュ電極７３は、メッシュ電極７１および７２を含む閉回路に流れる原子電流に、雑音や誤差電流が混入するのを阻止する機能を備えている。図１４に示すように、対向電極体の前方から流入するフラックスＦに含まれる荷電粒子Ｎ2+、ｅ-等は、完全ではないが、メッシュ電極７３によって対向電極体内部への入射が阻止される。
【００９７】
なお、対向電極体１１ｃの構成は図１３に示したものに限定されない。図１３に示した対向電極体では、スペーサ７４を３列配置しているが、メッシュ電極間の絶縁性を維持できれば、専用の治具を用いて間隔を保持するようにしても良い。
【００９８】
（実施の形態４）
図１５に本発明の実施の形態４にかかる原子フラックス測定装置の基本的な構成を示す。図中、実施の形態１〜３の原子フラックス測定装置と同一の機能を備えた構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。その一方、説明に用いないＡ／Ｄ変換器２１、２２およびＰＣ８は省略している。
【００９９】
＜測定装置の構成＞
本実施の形態の原子フラックス測定装置は、対向電極体の構成を除いて、実施の形態１および２の原子フラックス測定装置と変わりがない。本実施の形態における対向電極体１１ｄは、電位ＶAに保持される第１のシート状電極に、実施の形態１と同様のシート状電極９１を用い、電位ＶBに保持される第２のシート状電極に、実施の形態２と同様のメッシュ電極９２を用いている。
【０１００】
実施の形態２と同様に、原子フラックスが入力する側の第２のシート状電極９２にメッシュ電極を用いることにより、ＲＦ励起セル４から照射された解離窒素原子のフラックスＦがメッシュ電極の隙間を通過し、対向電極体１１ｄの空間部に入り込むため、空間部の熱平衡蒸気圧が高まる。この熱平衡蒸気圧に応じた密度をもって解離窒素原子が電極の表面に付着して原子電流を生じさせる。
【０１０１】
一方、電位ＶAに保持される第１のシート状電極に実施の形態１と同様のシート状電極９１を用いることにより、メッシュ電極９２を通過して対向電極体１１ｄの空間部に入り込んだ乖離窒素原子の大半はシート状電極９１の表面に接触するため、実施の形態２の対向電極体１１ｂに比較して原子電流の値が増大することが期待できる。
【０１０２】
＜対向電極体の具体的構成＞
図１６に、本実施の形態にかかる対向電極体１１ｄの具体的構成における回路図を模式的に示す。図示しないが、対向電極体１１ｄの具体的な構成は、図１３に示した実施の形態３における対向電極体１１ｃの構成とほとんど変わりがなく、第１のメッシュ電極９３と第２のメッシュ電極９２を交互に重ねて配置したものである。
【０１０３】
本実施の形態にかかる対向電極体１１ｄは、電位ＶAに保持される第１のシート状電極を、シート状電極９１とメッシュ電極９３とで構成している。具体的には、図１６に示すように、実施の形態３の対向電極体１１ｃの第３のメッシュ電極７３を取り除き、その代わりに、原子フラックスの入射側とは反対側の位置に、所定の間隔を隔てて平板状のシート状電極９１を配置している。なお、対向電極体１１ｃの第３のメッシュ電極７３については、そのまま残してもかまわない。
【０１０４】
上述したように、メッシュ電極９２および９３の隙間を通過した乖離窒素原子の大半がシート状電極９１の表面に接触するため、実施の形態３の対向電極体１１ｃに比較して、原子電流の値の増大が期待できる。
【０１０５】
以上説明したように、本発明の原子フラックス測定装置は、第１のシート状電極の電位をマイナスに保持し、さらにその値を低下させることにより、原子電流測定の感度を高めることができるため、比較的安価な電流計を用いて原子電流を測定でき、結果として測定装置の製造コストを低減できる。
【０１０６】
また、シート状電極に金属メッシュのシートを使用すると共に、このシートを巻回もしくは積層することによって、対向電極体の容積を増やすことなく電極の表面積を拡大できるため、小型で測定感度の良い原子フラックス測定装置を実現できる。
【０１０７】
なお、上述の各実施の形態では、原子フラックス測定装置１０を用いて、ＲＦ励起セル４から放出される窒素活性種（ＮおよびＮ*）のフラックス量をモニターする場合について説明したが、本発明の原子フラックス測定装置の用途は、これに限定されない。
【０１０８】
ＲＦ励起セル４内に、水素ガスＨ2とか、酸素ガスＯ2を供給するとともに、ＲＦ励起セル４の励起コイル４３に比較的大きい高周波電力を供給してＨＢ放電モードで作動させ、ＲＦ励起セル４から解離水素原子（Ｈ*およびＨ）や解離酸素原子（Ｏ*およびＯ）のフラックスを放出させる。ＲＦ励起セル４から放出された後、真空チャンバ３のシュラウドや反射板３２等に繰り返し衝突および反射した解離水素原子や解離酸素原子のフラックスを、例えば対向電極体１１ｃに入射させ、原子フラックス測定装置１０で原子電流を測定すれば、解離水素原子や解離酸素原子のフラックス量を算定することができる。
【０１０９】
また本発明の原子フラックス測定装置は、ＭＢＥ製膜装置の真空チャンバ３内において基板表面に製膜処理する場合に限らず、真空状態下のチャンバでエッチングとか酸化処理等の処理を行う場合にも適用できることは云うまでもない。
【０１１０】
また、前記ＭＢＥ製膜装置の窒素ＲＦ励起セル２のシャッターポート内部に、窒素ＲＦ励起セル４から窒素解離原子フラックスを直接照射されない位置、すなわち、間接照射位置に原子フラックス測定装置１０を配置し、真空チャンバ３内の基板ホルダー３１に固定したシリコン基板２に窒素ＲＦ励起セル４から窒素解離原子のフラックスを間接照射しながら、シリコン基板２の表面のＳi原子と反応させる、いわゆる、表面界面反応による単結晶Ｓｉ3Ｎ4バッファ層の成長過程を、原子フラックス測定装置１０で測定した原子電流により観察したところ、窒素ＲＦ励起セル４から放出される窒素解離原子のシュラウド（側壁部）への付着量が増大するにつれて窒素解離原子の基板２への照射量が低下し、したがって、単結晶Ｓｉ3Ｎ4バッファ層の成長速度が低下したものと考えられる。
【０１１１】
窒素解離原子のシュラウドへの吸着増加による成長速度低下の不都合を解消するには、発明者等が先に提案した活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置（特開２００８−７８２００号公報参照）におけると同様、窒素ＲＦ励起セル４の放電モードを、ＬＢ放電モードとＨＢ放電モードとを適当な時間間隔（デューティファクター）をもって交互に切り換え、ＬＢ放電モード期間においてＨＢ放電モード期間に発生した窒素解離原子フラックスのうちシュラウドに吸着した原子を、後続のＬＢ放電モード期間中にフラッシュすることにより冷却されたシュラウド表面での窒素解離原子の堆積を防止して、基板表面における単結晶Ｓｉ3Ｎ4バッファ層の成長速度の低下を有効に防止することができる。
【符号の説明】
【０１１２】
１  ＭＢＥ製膜装置
２  基板
３  真空チャンバ
４  ＲＦ励起セル
５  金属分子線セル
６  ＲＦマッチングボックス
７  ＲＦ電源
８  ＰＣ
９  シャッター
１０  原子フラックス測定装置
１１ａ〜１１ｄ  対向電極体
１２、１３、９１、９３  シート状電極
１４、１５  直流電源
１６、１７  直流電流計
１８、１９  端子
２０  接地端子
２１、２２  Ａ／Ｄ変換器
２３  スペーサ
２７、２８、５９、７５  ワイヤ
２９  アルミ絶縁管
３１  基板ホルダー
３２  反射板
５１、５２、７１、７２、７３、９２  メッシュ電極
５３  アルミナ套管
５４  支柱
５５  アルミナ管
５６  固定バンド
５７  固定具
５８  セパレータ
７４  絶縁スペーサ
７５  針金
８１  制御部
８２  演算部
８３  メモリ
８４  ディスプレイ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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